專利名稱：一種提高硬質涂層與基體界面結合強度的方法
技術領域：
本發明涉及化工技術領域，特別是涉及一種提高刀具、模具及機械零部件等摩擦副零部件表面硬質涂層與基體界面結合強度的方法。
背景技術：
固態涂層材料與基體的結合強度是關系涂層能否發揮其各種功能作用的關鍵因素，如何提高膜基結合強度一直是功能涂層(薄膜)材料領域的熱點研究課題。通常的涂層與基體所組成的復合體系均是一種異質體系，涂層與基體在組成、結構及物理、化學性能上的差異必然導致界面處的不匹配和界面應力的產生，涂層中也會在制備過程中殘留足夠大的內應力。尤其是硬質涂層，其內應力難以在涂層內以變形方式松弛，從而在涂層內貯存大量彈性能，并作用于涂層與基體的界面上，帶來膜基結合強度上的問題，最終引發涂層的脫落而導致體系的失效。目前降低界面應力提高涂層/基體界面結合強度的主要技術手段包括1)在界面間設置中間層、過度層、梯度層或多層膜；幻通過離子注入或熱擴散在界面間形成混合區； 3)基體表面預處理，如表面強化預處理、表面離子轟擊或微粒子噴砂粗化預處理等，增強膜基界面機械咬合及體系承載能力。上述方法或單獨使用或組合使用，已成為實際應用中最基本的方法。但是這些方法在提高界面結合強度方面仍有局限，對一些內部殘余應力極高的超硬涂層仍不能滿足其要求，特別是厚膜化要求。如立方氮化硼涂層由于內部存在極高的殘余應力，當涂層厚度超過大約IOOnm時，就會爆裂破碎甚至完全脫落，致使立方氮化硼涂層至今都沒有實現商業化應用。另一種比較常用的方法是涂層沉積后退火。這通常伴隨一系列相變過程，使涂層性質發生改變，特別是大幅度降低涂層原有硬度，還會引起工件的變形。而且退火溫度往往較高才有作用，這對于回火溫度低的基體材料來說是不適用的。低溫或超低溫處理是一種成熟的金屬材料處理技術，是一種改善金屬材料力學性能的有效途徑。但是，目前還沒有將低溫或超低溫處理應用于提高涂層與基體界面結合強度的研究報道。

發明內容
有鑒于此，本發明的目的是提供一種提高硬質涂層(薄膜)與基體界面結合強度的方法，使之可以解決通過高溫退火消除硬質涂層/基體內部及界面應力時涂層及基體在高溫下性能劣化的問題，在較低溫度下提高涂層/基體界面結合強度的同時，維持或提高涂層/基體復合體系的綜合力學性能或機械性能。本發明的技術思路是，利用低溫或超低溫處理對復合體系內部及涂層與基體界面間應力場的影響，對其進行調整，使涂層與基體的界面應力得到完全或一定程度的松弛，從而提高復合體系的界面結合強度；同時利用低溫或超低溫條件下界面顯微結構的變化達到提高界面結合強度的目的；另外，還利用低溫或超低溫處理在提高界面結合強度的同時，改善硬質涂層及其涂層/基體的力學或機械特性，包括硬度、強度、耐磨性等。
本發明一種提高硬質涂層與基體界面結合強度的方法，將硬質涂層/基體復合體系于-50°C -273°C的低溫或超低溫下處理5 48小時；
所述的硬質涂層是指金屬涂層、合金涂層或無機非金屬涂層，包括氮化物涂層、金剛石涂層、非晶C涂層或碳化物涂層。氮化物涂層是指TiN、CrN, TiAlN, TiSiN, CrAlTiN 或 BN 等； 非晶C涂層是指類金剛石、非晶金剛石等；
碳化物涂層是指TiC或WC等。為了達到提高界面結合強度的最優效果，結合采用低溫或超低溫處理前后的低溫退火處理效果更好。


圖1是TiN涂層/YW2硬質合金基體復合體系超低溫處理前后的壓痕形貌。圖2是超低溫處理前后TiN涂層/YW2硬質合金基體復合體系的維氏硬度，灰色和紅色分別表示處理前后的硬度值。圖3是TiN涂層/不銹鋼基體復合體系超低溫處理前后的劃痕形貌。圖4是超低溫處理前后TiN涂層/不銹鋼基體復合體系的維氏硬度，灰色和紅色分別表示處理前后的硬度值。圖5是DLC涂層/YW2硬質合金基體復合體系低溫處理前后的壓痕形貌。圖6是DLC涂層/YW2硬質合金基體復合體系低溫處理前后的納米壓痕試驗中的載荷-深度曲線。圖7是TiN涂層/YW2硬質合金基體復合體系超低溫處理前后的大載荷條件下的壓痕形貌
本發明的有益效果是應用本發明方法，可使涂層/基體界面結合強度顯著提高，一般可提高109Γ50%、而又避免了采用傳統的高溫退火方法時，基體或涂層本身性能的劣化；同時，低溫或超低溫處理成本低，適用的涂層/基體復合體系種類廣泛。
具體實施例方式為了對本發明及其效果加以詳細說明，分別采用電弧離子鍍膜技術和磁控濺射沉積技術在拋光的不銹鋼、硬質合金鋼基體上沉積了一定厚度的TiN、CrN、TiAlN、CrAlTiN、類金剛石及TiC涂層，沉積前將基體分別在乙醇和去離子水中進行了各10分鐘的超聲波清洗并冷風吹干后放入真空室。沉積后采用了液氮或液氦直接浸泡深冷的液體法，以及采用液氮為制冷劑的氣體法，分別在-196°C、-273°C及_50°C _150°C溫度條件下將涂層/基體復合體系通過一定時間的浸泡處理后直接暴露在空氣中使之恢復到室溫，并根據具體情況在低溫或超低溫處理前后追加或不追加低溫退火處理。而后用洛氏壓痕法和劃痕法分別定性和定量檢測涂層的界面結合強度，以判定低溫或超低溫處理對改善涂層界面結合強度的效果。同時采用顯微硬度儀或納米壓痕儀對涂層進行硬度檢測，以判定超低溫處理對涂層及其復合體系硬度、彈性模量等力學特性的改善作用。采用洛氏壓痕法通過對壓痕及裂紋形貌的分析也可對復合體系的斷裂韌性進行定性分析。以下，通過實際的使用例子對本發明加以詳細說明。
實施例1
采用電弧離子鍍膜技術在YW2硬質合金基體上沉積了 3 μ m厚的TiN涂層，經30小時液氮中-196°C超低溫處理后，對其進行了洛氏壓痕試驗，壓痕形貌如圖1所示a)、b)分別為超低溫處理前后的洛氏壓痕形貌金像顯微鏡照片，從中可以看出，超低溫處理后壓痕周向的涂層塊狀脫落狀況明顯緩解，表明TiN涂層的附著力水平明顯改善。同時劃痕試驗定量檢測表明，處理前的附著力為55N，處理后上升為83N，附著力提高了 51%。圖2是同樣條件下超低溫處理前后涂層硬質合金的維氏硬度，灰色和紅色分別表示處理前后的硬度值，從圖中可以看出，超低溫處理后，涂層或涂層硬質合金的硬度明顯提高。由于采用的是顯微硬度計的檢測結果，基本上可以肯定，測得的硬度值主要反應了涂層的硬度變化。也就是說，超低溫處理有利于TiN涂層硬度的提高。實施例2
采用電弧離子鍍膜技術在拋光的304不銹鋼基體上沉積了 3 μ m厚的TiN涂層，經30小時液氮中-196°C超低溫處理后，對其進行了劃痕試驗，劃痕形貌如圖3所示a)、b)分別為超低溫處理前后的劃痕形貌金像顯微鏡照片，從中可以看出，超低溫處理前劃痕邊緣及中部TiN脫落均較嚴重，而超低溫處理后涂層塊狀脫落狀況明顯緩解，整過劃痕到最后在劃痕邊緣及中部涂層均沒有完全脫落，而沒有處理的基本上已完全脫落。這表明超低溫處理后TiN涂層/不銹鋼基體的界面結合強度得到了明顯改善。同時劃痕試驗定量檢測表明， 處理前的附著力為35N，處理后上升為52N，附著力提高了 49%。圖4是超低溫處理前后TiN涂層/不銹鋼基體復合體系的維氏硬度，灰色和紅色分別表示處理前后的硬度值，從圖中可以看出，超低溫處理后，TiN涂層或其與基體組成的復合體系的硬度明顯提高。由于采用的是顯微硬度計的檢測結果，基本上可以肯定，測得的硬度值主要反應了涂層的硬度變化。也就是說，超低溫處理有利于TiN涂層硬度的提高。實施例3
采用電弧離子鍍膜技術在YW2硬質合金基體上沉積了 3 μ m厚的CrN涂層，經5小時液氦中-273°C超低溫處理后，對其進行了劃痕定量檢測試驗，試驗結果表明經過超低溫處理后CrN涂層的附著力水平明顯改善，處理前的附著力為58N，處理后上升為72N，附著力提高了對％。實施例4
采用電弧離子鍍膜技術在YW2硬質合金基體上沉積了 3 μ m厚的TiAlN涂層，經48小時液氮中-196°C超低溫處理后，對其進行了劃痕定量檢測試驗，試驗結果表明經過超低溫處理后TiAlN涂層的附著力水平明顯改善，處理前的附著力為50N，處理后上升為72N，附著力提高了 44%。實施例5
采用磁控濺射鍍膜技術在YW2硬質合金基體上沉積了 2 μ m厚的CrAlTiN涂層，經5小時液氮氣體法-100°C低溫處理后，對其進行了劃痕定量檢測試驗，試驗結果表明經過低溫處理后CrAlTiN涂層的附著力水平明顯改善，處理前的附著力為MN，處理后上升為60N，附著力提高了 11%。實施例6
采用磁控濺射技術在YW2硬質合金基體上沉積了 2 μ m厚的類金剛石(DLC)涂層，經5小時液氮氣體法_50°C低溫處理后，并輔以150°C條件下，2小時的退火處理后，對其進行洛氏壓痕試驗，為對比起見，對比件也進行了 150°C條件下2小時的退火處理。壓痕形貌如圖 5所示a)、b)分別為低溫處理前后的洛氏壓痕形貌金像顯微鏡照片，從中可以看出，無低溫處理樣件的涂層沿壓痕周向有明顯的塊狀脫落，而經過低溫處理后壓痕周向幾乎看不見有涂層脫落，表明經過低溫處理后的DLC涂層的附著力水平明顯改善。
同時劃痕試驗定量檢測表明，無低溫處理的DLC涂層附著力為45N，低溫處理后上升為 62N，附著力提高了 38%。納米壓痕試驗結果如表1所示，表1為其硬度和彈性模量，結果表明經過低溫處理后的DLC在硬度和彈性模量上分別增加了 4%和8%。表1 :DLC涂層/YW2硬質合金基體復合體系低溫處理前后的納米壓痕試驗中的顯微硬度和彈性模量
權利要求
1.一種提高硬質涂層與基體界面結合強度的方法，其特征在于，將硬質涂層/基體復合體系于-50°C -273°C下處理5 48小時。
2.根據權利要求1所述的一種提高硬質涂層與基體界面結合強度的方法，其特征在于，所述的硬質涂層是指金屬涂層、合金涂層或無機非金屬涂層，包括氮化物涂層、金剛石涂層、非晶C涂層或碳化物涂層氮化物涂層是指 TiN、CrN, TiAlN, TiSiN, CrAlTiN 或 BN ； 非晶C涂層是指類金剛石或非晶金剛石； 碳化物涂層是指TiC或WC。
全文摘要
本發明公開了一種提高硬質涂層(薄膜)與基體界面結合強度的方法，該方法將硬質涂層/基體復合體系于-50℃～-273℃的低溫或超低溫下處理5～48小時實現。硬質涂層包括TiN、CrN、TiAlN、TiSiN、CrAlTiN、BN等氮化物涂層、金剛石、類金剛石等C涂層及TiC、WC等碳化物涂層。應用本發明方法，可使涂層/基體界面結合強度提高10%~50%，還可避免采用傳統的高溫退火方法時，基體或涂層本身性能的劣化；同時，低溫或超低溫處理成本低，適用的涂層/基體復合體系種類廣泛。
文檔編號C23C4/18GK102517539SQ20121000674
公開日2012年6月27日 申請日期2012年1月9日 優先權日2012年1月9日
發明者劉曉魁, 張碧云, 林華, 聶朝胤, 謝紅梅, 賈曉芳 申請人:西南大學